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鉛蓄電池は充電式電池の一種です。1859年にフランスの物理学者ガストン・プランテによって初めて発明された、史上初の充電式電池です。より現代的な充電式電池と比較すると、鉛蓄電池はエネルギー密度が低く、重量も重くなります。しかしながら、高いサージ電流を供給することができます。これらの特性と低コストであることから、スターターモーターに必要な大電流を供給するために自動車に利用されています。鉛蓄電池は、サイクル寿命（通常500回未満のディープサイクル）と全体的な寿命（放電状態での二重サルフェーションのため）が比較的短く、充電時間も長いという欠点があります。平均的な自動車用バッテリーは、放電状態から完全に充電するのに6～12時間かかります。
鉛蓄電池は、新しい技術に比べてコストが低いため、サージ電流が重要ではなく、他の設計でより高いエネルギー密度が得られる場合でも広く使用されています。1999 年、鉛蓄電池の販売は、世界中で販売された電池の価値の 40 ～ 50% (中国とロシアを除く) を占め、製造市場の価値は約 150億米ドルに相当します。[ 8 ]大型鉛蓄電池は、セルサイトなどの通信ネットワークのバックアップ電源、病院で使用される高可用性緊急電源システム、およびスタンドアロン電源システムでの蓄電に広く使用されています。これらの役割では、標準セルの改良版を使用して、保管時間を改善し、メンテナンス要件を削減することができます。ゲルセルと吸収ガラスマット電池は、これらの役割で一般的であり、まとめてバルブ制御鉛蓄電池( VRLA )と呼ばれています。
フランスの科学者ニコラ・ゴーテロは1801年に、電気分解実験に使用された電線が、主電池を切り離した後も少量の二次電流を発生することを観察した。 [ 9 ] 1859年、ガストン・プランテの鉛蓄電池は、逆電流を流すことで再充電できる最初の電池だった。プランテの最初のモデルは、ゴム片で隔てられた2枚の鉛板を螺旋状に巻き、約10パーセントの硫酸を含む溶液に浸したものであった。[ 10 ]彼の電池は、駅に停車中の列車の車両のライトに電力を供給するために最初に使用された。1881年、カミーユ・アルフォンス・フォールは、鉛格子に酸化鉛ペーストを押し付けて板状にした改良版を発明した。この設計は大量生産が容易だった。鉛蓄電池の初期の製造業者（1886年から）はアンリ・チューダーであった。
液体電解質の代わりにゲル電解質を使用することで、電池を液漏れすることなくさまざまな姿勢で使用できるようになります。あらゆる姿勢で使用できるゲル電解質電池は、1920年代後半に初めて使用され、1930年代には、ポータブルスーツケースラジオセットで、バルブ設計によりセルを垂直または水平に取り付けることができました（ただし、逆さまには取り付けられませんでした）。[ 11 ] 1970年代には、バルブ制御式鉛蓄電池（VRLA）、または密閉型電池が開発され、現代の吸収ガラスマット（AGM）タイプも含まれ、あらゆる姿勢で動作できるようになりました。
2011年初頭に、鉛蓄電池は実際に相対性理論のいくつかの側面を利用して機能しており、Ca-SbやSn-Biなどの液体金属電池や溶融塩電池も程度は低いもののこの効果を利用していることが発見された。 [ 12 ] [ 13 ]
放電状態では、正極板と負極板の両方が硫酸鉛(II) ( PbSO₄)になります。4 )、電解質は硫酸の大部分を失い、主に水になる。
2つの伝導電子が放出されると、鉛電極は負に帯電する。
電子が蓄積すると、水素イオンを引き付け、硫酸イオンを反発する電場が生成され、表面付近に二重層が形成される。水素イオンは帯電した電極を溶液から遮蔽するため、電極から電荷が流出しない限り、それ以上の反応は制限される。
Pb(s)がPbSOに変換される際に放出される正味エネルギー（207g）4 (s) は約 400 kJ であり、これは 36 g の水の生成に相当します 。反応物の分子量の合計は 642.6 g/mol なので、理論的には、セルは 642.6 g の反応物から 2ファラデークーロン)電荷を 、これは 2 ボルトのセルでは 83.4アンペア時/キログラム (または 12 ボルトのバッテリーでは 13.9 アンペア時/キログラム) に相当します。これは反応物 1 キログラムあたり 167ワットが、実際には、鉛蓄電池は水やその他の構成要素の質量のために、バッテリー 1 キログラムあたり 30 ～ 40 ワット時しか生成しません。
完全に充電された状態では、負極板は鉛、正極板は二酸化鉛で構成されている。電解液は硫酸水溶液の濃度が高く、この硫酸水溶液が化学エネルギーの大部分を蓄えている。
高電圧で過充電すると、水の電気分解によって酸素と水素ガスが発生し、泡となって放出され失われます。一部の鉛蓄電池（例えば、液式電池。ただし、VRLA（AGMまたはゲル）は除く）は、電解液のレベルを点検し、このようにして失われた電解液を純水で補充できる設計になっています。
凝固点降下現象のため、電池の充電量が少なく、それに伴って硫酸濃度が低い場合、低温環境では電解液が凍結しやすくなります。
退院中、H +負極板で生成されたプロトンは電解液中に移動し、正極板で消費される一方、HSO₄⁻は両方の正極板で消費される。充電時には逆の現象が起こる。この動きは、電気的に駆動されるプロトンの流れ（グロトフス機構）、媒体を通じた拡散、または液体電解質媒体の流れによって起こる。硫酸濃度が高いほど電解質の密度が高くなるため、液体は対流によって循環する傾向がある。したがって、液体媒体セルは、それ以外は同様のゲルセルよりも効率的に急速に放電および充電する傾向がある。
電解質が充放電反応に関与するため、この電池は他の化学反応に比べて大きな利点が1つあります。それは、電解質の比重を測定するだけで充電状態を比較的簡単に判断できることです。比重は電池が放電するにつれて低下します。電池の設計によっては、密度が異なる色の浮球を使用した単純な比重計が採用されているものもあります。ディーゼル電気潜水艦で使用されていた場合、比重は定期的に測定され、制御室の黒板に書き込まれて、潜水艦があとどれくらい潜航できるかを示していました。[ 14 ]
バッテリーの開放電圧は、充電状態を測定するためにも使用できます。[ 15 ]個々のセルへの接続にアクセスできる場合は、各セルの充電状態を決定でき、バッテリー全体の健全性の目安となります。そうでない場合は、バッテリー全体の電圧を評価することができます。
IUoUバッテリー充電は、鉛蓄電池用の3段階充電手順です。鉛蓄電池の公称電圧は、 セル1個あたり2.1Vです。単一セルの電圧は、 完全放電時の負荷状態で1.8V、 完全充電時の開放回路状態で2.10Vの範囲になります。
フロート電圧はバッテリーの種類（液式セル、ゲル状電解質、吸収ガラスマット）によって異なり、1.8 V から 2.27 V の範囲です。均等化電圧、および硫酸化セルの充電電圧は、2.67 V からほぼ 3 Vの範囲になります[ 16 ]（充電電流が流れるまでのみ）。[ 17 ] [ 18 ]特定のバッテリーの具体的な値は、設計と製造元の推奨事項によって異なり、通常は20 °C（68 °F）の基準温度で示され、周囲条件に合わせて調整する必要があります。IEEE 規格 485-2020（1997 年に初版発行）は、定置用途の鉛蓄電池のサイズ決定に関する業界の推奨慣行です。[ 19 ]
鉛蓄電池は、2つの電極に鉛板を用いることで実現できる。しかし、このような構造では、はがきサイズの板で約1アンペアの電流しか得られず、しかも数分しか持続しない。
ガストン・プランテは、はるかに大きな有効表面積を提供する方法を発見しました。プランテの設計では、正極板と負極板は、布で隔てられた2つの鉛箔の螺旋から形成され、巻き上げられました。セルは当初容量が低かったため、鉛箔を腐食させてプレート上に二酸化鉛を生成し、表面を粗くして表面積を増やすために、ゆっくりとした成形プロセスが必要でした。当初、このプロセスは一次電池からの電力を使用していましたが、1870年以降に発電機が利用可能になると、電池の製造コストは大幅に低下しました。 [ 8 ]プランテプレートは、プレートの表面積を増やすために機械的に溝が付けられている一部の定置用途で現在でも使用されています。
1880年、カミーユ・アルフォンス・フォールは、鉛グリッド（電流導体として機能する）に酸化鉛、硫酸、水のペーストを塗布し、その後、高湿度の環境でプレートを穏やかな熱にさらす硬化工程を行う方法を特許取得した。硬化プロセスによりペーストは硫酸鉛の混合物に変化し、鉛プレートに付着した。その後、電池の初期充電（形成と呼ばれる）中に、プレート上の硬化ペーストが電気化学的に活性な物質（活性質量）に変換された。フォールのプロセスは鉛蓄電池の製造時間とコストを大幅に削減し、プランテの電池と比較して容量を大幅に増加させた。[ 20 ]フォールの方法は現在でも使用されており、ペーストの組成、硬化（現在も蒸気で行われるが、非常に厳密に制御されたプロセスになっている）、ペーストが塗布されるグリッドの構造と組成にわずかな改良が加えられている。
フォールが開発したグリッドは純鉛製で、鉛製の連結棒が直角に配置されていました。これに対し、現代のグリッドは機械的強度と電流の流れを改善するように構造化されています。現代の製造プロセスでは、さまざまなグリッドパターン（理想的には、プレート上のすべての点が電力導体から等距離にある）に加えて、重量をより均等に分散するために、グリッド上に1枚または2枚の薄いグラスファイバーマットを貼ることもあります。フォールはグリッドに純鉛を使用していましたが、1年以内（1881年）には、構造の剛性を高めるために、鉛-アンチモン（8～12％）合金に置き換えられました。しかし、高アンチモンのグリッドは水素発生量が多く（電池の経年劣化とともに加速します）、そのためガス放出量が多くなり、メンテナンスコストも高くなります。これらの問題は、1930年代にベル研究所のUBトーマスとWEヘリングによって特定され、最終的に1935年に米国の電話網の予備電源電池用の鉛-カルシウム合金グリッドの開発につながりました。関連研究の結果、数年後、ヨーロッパで鉛-セレン合金グリッドが開発されました。鉛-カルシウム合金と鉛-セレン合金のグリッドには、いずれもアンチモンが添加されていますが、従来の高アンチモン合金グリッドに比べるとはるかに少量です。鉛-カルシウム合金グリッドには4～6%のアンチモンが含まれているのに対し、鉛-セレン合金グリッドには1～2%しか含まれていません。こうした冶金学的改良によりグリッドの強度が増し、より多くの重量を支えることができるため、より多くの活性物質を収容できます。その結果、プレートを厚くすることができ、バッテリーが使用不能になる前に脱落する物質が増えるため、バッテリーの寿命が延びます。高アンチモン合金グリッドは、頻繁な充放電サイクルを想定したバッテリー、例えば、プレートの頻繁な膨張/収縮を補償する必要があるモーター始動用途などで、充電電流が低いためガス放出がそれほど問題にならない場合にも使用されています。 1950年代以降、充放電サイクルが少ない用途（例えば、非常用電源バッテリー）向けに設計されたバッテリーは、水素発生量が少なくメンテナンスコストが低いことから、鉛カルシウム合金または鉛セレン合金のグリッドを採用することが増えています。鉛カルシウム合金グリッドは製造コストが安く（そのためセルの初期費用が低くなります）、自己放電率と給水量も少なくて済みますが、導電率がやや低く、機械的強度が弱いため（それを補うためにアンチモンをより多く必要とします）、腐食を受けやすい（そのため寿命が短い）という欠点があります。
開回路効果とは、カルシウムをアンチモンに置き換えたときに観察された、電池のサイクル寿命の劇的な低下のことである。これはアンチモンフリー効果としても知られている。[ 21 ]
現代の電池ペーストには、カーボンブラック、ブランフィックス（硫酸バリウム）、リグノスルホン酸塩が含まれています。ブランフィックスは、鉛から硫酸鉛への反応の種結晶として機能します。ブランフィックスは、効果を発揮するためにペースト中に完全に分散している必要があります。リグノスルホン酸塩は、放電サイクル中に負極板が固まりになるのを防ぎ、代わりに長い針状のデンドライトの形成を可能にします。長い結晶は表面積が大きく、充電時に元の状態に戻りやすいです。カーボンブラックは、リグノスルホン酸塩による形成阻害効果を打ち消します。スルホン化ナフタレン縮合物分散剤は、リグノスルホン酸塩よりも効果的な膨張剤であり、形成を促進します。この分散剤は、ペースト中の硫酸バリウムの分散性を向上させ、水和時間を短縮し、より破損しにくいプレートを生成し、微細な鉛粒子を減らし、それによって取り扱い性とペースト特性を向上させます。また、充電終了電圧を上昇させることで電池寿命を延ばします。スルホン化ナフタレンは、リグノスルホン酸塩の約3分の1から2分の1の量で済み、高温でも安定している。[ 22 ]
乾燥後、プレートは適切なセパレータとともに積み重ねられ、セル容器に挿入されます。交互に配置されたプレートは、交互に正極と負極を構成し、セル内では並列に（負極同士、正極同士で）接続されます。セパレータはプレート同士の接触を防ぎ、接触すると短絡が発生するのを防止します。液式セルとゲル式セルでは、セパレータは絶縁レールまたはスタッドで、以前はガラスまたはセラミック製でしたが、現在はプラスチック製です。AGMセルでは、セパレータはガラスマット自体であり、セパレータ付きのプレートのラックはセルに挿入する前に圧縮されます。セル内に入ると、ガラスマットがわずかに膨張し、プレートを所定の位置に効果的に固定します。マルチセルバッテリーでは、セルはセル壁を貫通するコネクタを介して、またはセル壁を跨ぐブリッジを介して、直列に接続されます。セル内およびセル間の接続はすべて、グリッドに使用されているものと同じ鉛合金でできています。これは、ガルバニック腐食を防ぐために必要です。
ディープサイクルバッテリーは、正極の形状が異なります。正極は平板ではなく、鉛酸化物製の円筒形または管状のものが横一列に並んでいるため、管状または円筒形と呼ばれます。この形状の利点は、電解液と接触する表面積が大きくなり、同じ体積と充電深度の平板型セルよりも放電電流と充電電流が高くなることです。管状電極セルは、平板型セルよりも電力密度が高くなります。そのため、円筒形電極は、フォークリフトや船舶用ディーゼルエンジンの始動など、重量やスペースに制限のある高電流用途に特に適しています。しかし、円筒形電極は同じ体積内で活性物質が少ないため、同等の平板型セルよりもエネルギー密度が低く、電極の活性物質が少ないということは、セルが使用不能になる前に剥離できる物質も少ないことを意味します。また、円筒形電極は均一に製造するのがより複雑なため、平板型セルよりも高価になる傾向があります。こうしたトレードオフにより、円筒形電池が有効な用途は、より大容量（したがってより大型）の平板型電池を設置するのに十分なスペースがない場合に限られる。
自動車用鉛蓄電池（定格60A・h程度）の重量の約60%は鉛または鉛製の内部部品で、残りは電解液、セパレーター、ケースです。[ 8 ]例えば、一般的な14.5kg（32ポンド）の電池には、約8.7kg（19ポンド）の鉛が含まれています。
正極板と負極板の間のセパレータは、主に樹枝状結晶（樹枝状結晶）による物理的な接触、および活性物質の剥離による短絡を防ぎます。セパレータは、電気化学セルのプレート間でイオンが流れて閉回路を形成することを可能にします。セパレータの製造には、ガラス繊維マット、ゴム、PVCまたはポリエチレンプラスチックが使用されています。[ 23 ]
効果的なセパレータは、透過性、多孔性、細孔径分布、比表面積、機械的設計と強度、電気抵抗、イオン伝導率、電解液との化学的適合性など、多くの機械的特性を備えている必要があります。使用時には、セパレータは酸と酸化に対して優れた耐性を持つ必要があります。セパレータの面積は、電極板間の短絡を防ぐために、電極板の面積よりもわずかに大きくする必要があります。セパレータは、電池の動作温度範囲全体にわたって安定性を維持する必要があります。
吸収性ガラスマット（AGM ）設計では、プレート間のセパレーターが電解液に浸したガラス繊維マットに置き換えられています。マットには湿潤状態を保つのに十分な量の電解液しか含まれていないため、バッテリーに穴が開いても電解液がマットから流れ出すことはありません。液式バッテリーの液体電解液を半飽和ガラス繊維マットに置き換える主な目的は、セパレーターを通るガスの輸送を大幅に増加させることです。過充電時または充電時（充電電流が過剰な場合）に発生する水素ガスまたは酸素ガスは、ガラスマットを自由に通過し、それぞれ対向するプレートを還元または酸化することができます。液式セルでは、ガスの気泡はバッテリーの上部に浮上し、大気中に放出されます。生成されたガスが再結合するこのメカニズムと、半飽和セルではバッテリーケースに物理的な穴が開いても電解液がほとんど漏れないという利点により、バッテリーを完全に密閉することができ、携帯機器や同様の用途に適しています。さらに、バッテリーはどの向きでも取り付け可能ですが、逆さまに取り付けると、過圧ベントから酸が噴出する可能性があります。
水の損失率を低減するために、プレートにカルシウムが合金化されていますが、バッテリーを深く、あるいは急速に充電または放電すると、ガスの蓄積が問題となります。バッテリーケースの過圧を防ぐため、AGMバッテリーには一方向ブローオフバルブが組み込まれており、バルブ制御式鉛蓄電池（VRLA）と呼ばれることもあります。
AGM設計のもう一つの利点は、電解液がセパレーター材となり、機械的強度が高いことです。これにより、電池ケース内でプレートスタックを圧縮できるため、液体電池やゲル電池に比べてエネルギー密度がわずかに向上します。一般的な長方形の形状で製造されたAGM電池は、正極板の膨張により、ケースが特徴的に膨らむことがよくあります。
このマットは、バッテリー内部の電解液の垂直方向の動きも防ぎます。通常の液式バッテリーを放電状態で保管すると、重い酸分子がバッテリーの底に沈殿し、電解液が層状化します。その後バッテリーを使用すると、電流の大部分はこの層状化した部分のみを流れるため、プレートの底部が急速に摩耗します。これが、従来の自動車用バッテリーを長期間保管してから使用・充電すると、バッテリーが損傷する理由の一つです。このマットは、このような層状化を大幅に防ぎ、バッテリーを定期的に振ったり、煮沸したり、均等化充電を行って電解液を混合したりする必要がなくなります。層状化によってバッテリーの上層部がほぼ完全に水になり、寒冷地では凍結する可能性もありますが、AGMバッテリーは低温での使用による損傷を受けにくいという利点があります。
AGMセルは水を入れることができません（通常、バッテリーに穴を開けずに水を加えることは不可能です）が、その再結合プロセスは基本的に通常の化学プロセスによって制限されます。水素ガスはプラスチックケース自体を透過して拡散します。AGMバッテリーに水を加えることが有益であると発見した人もいますが、水が拡散によってバッテリー全体に混ざるように、ゆっくりと行う必要があります。鉛蓄電池が水を失うと、酸濃度が上昇し、プレートの腐食速度が大幅に増加します。AGMセルは、水の損失率を下げて待機電圧を上げるために、すでに高い酸含有量になっていますが、これは鉛アンチモン液式バッテリーと比較して寿命が短くなる原因となります。AGMセルの開放電圧が2.093ボルト、または12Vバッテリー の場合は12.56Vを大幅に上回る 場合、液式セルよりも酸含有量が高くなります。これはAGMバッテリーでは正常ですが、長寿命には望ましくありません。
意図的または偶発的に過充電されたAGMセルは、失われた水の量（および酸濃度の増加）に応じて、より高い開回路電圧を示します。1アンペア時の過充電により、セルあたり0.335グラムの水が電気分解されます。この遊離した水素と酸素の一部は再結合しますが、すべてが再結合するわけではありません。
1970年代、研究者たちは密閉型ゲル電池を開発しました。これは、電解液にシリカゲル化剤を混合したものです（ 1930年代初頭から携帯ラジオに使用されていたシリカゲルベースの鉛蓄電池は完全には密閉されていませんでした）。これにより、以前は液体だった電池内部が半固形のペースト状になり、AGM電池と同様の多くの利点が得られます。このような設計は蒸発の影響をさらに受けにくく、定期的なメンテナンスがほとんど、あるいは全く不可能な状況でよく使用されます。ゲル電池は、従来の湿式電池やAGM電池で使用される液体電解液よりも凝固点が低く沸点が高いため、過酷な条件下での使用に適しています。
ゲル設計の唯一の欠点は、ゲルが電解質中のイオンの高速移動を妨げ、キャリア移動度を低下させ、結果としてサージ電流容量を減少させることである。このため、ゲル電池はオフグリッドシステムなどのエネルギー貯蔵用途で最も一般的に使用されている。
ゲル式とAGM式の両方のバッテリーは密閉構造で、給水不要、設置方向を選ばず使用可能、ガス抜きバルブ付きです。そのため、どちらのタイプもメンテナンスフリー、密閉型、VRLA（電圧・抵抗・損失低減）と呼べます。しかし、これらの用語がどちらか一方のタイプを具体的に指すという記述をよく見かけます。
バルブ制御式鉛蓄電池（VRLA）では、セル内で生成された水素と酸素は大部分が水に再結合します。再結合がガスの発生に追いつかない場合、一部の電解液が漏れ出すものの、漏洩は最小限に抑えられています。VRLA電池は電解液レベルの定期的なチェックが不要（かつ不可能）であるため、「メンテナンスフリー電池」と呼ばれてきました。しかし、これはやや誤解を招く表現です。VRLAセルはメンテナンスが必要です。電解液が失われると、VRLAセルは乾燥して容量が低下します。これは、内部抵抗、コンダクタンス、またはインピーダンスを定期的に測定することで検出できます。定期的なテストにより、より詳細なテストとメンテナンスが必要かどうかが明らかになります。最近では、再水和を可能にするメンテナンス手順が開発され、失われた容量のかなりの部分を回復できる場合が多くあります。
VRLA型電池は、セパレータによって振動に対する耐性が向上し、酸性電解液の漏れを防ぐため、1983年頃にオートバイで普及しました。[ 24 ]また、設置面積が小さく、設置の柔軟性があるため、通信サイトなどの定置型アプリケーションでも人気があります。[ 26 ]
世界の鉛蓄電池のほとんどは自動車の始動、照明、点火（SLI）用電池で、1999年には推定3億2000万個が出荷されました。 [ 8 ] 1992年には約300万トンの鉛が電池の製造に使用されました。より最近のデータでは、成長が続いていることが示されており、2024年には北米全体で約1億5000万個が出荷されました。[ 27 ]
深放電用に設計された湿式セルスタンバイ（定置型）バッテリーは、電話センターやコンピュータセンターの大型バックアップ電源、グリッドエネルギー貯蔵、オフグリッド家庭用電力システムなどで一般的に使用されています。[ 28 ]鉛蓄電池は、非常用照明や停電時の水中ポンプの動力源として使用されています。
牽引（推進）用バッテリーは、ゴルフカートやその他のバッテリー式電気自動車に使用されています。大型鉛蓄電池は、潜航中のディーゼル電気潜水艦の電気モーターの動力源としても使用され、原子力潜水艦の非常用電源としても使用されています。バルブ制御式鉛蓄電池は電解液が漏れることはありません。アラームや小型コンピュータシステムのバックアップ電源（特に無停電電源装置）、電動スクーター、電動車椅子、電動自転車、船舶用途、バッテリー式電気自動車またはマイクロハイブリッド車、オートバイなどに使用されています。多くの電動フォークリフトは鉛蓄電池を使用しており、その重量はカウンターウェイトの一部として使用されています。鉛蓄電池は、初期の真空管ラジオ受信機で一般的だった2Vのフィラメント（ヒーター）電圧を供給するために使用されていました。
鉱夫の帽子のヘッドランプ用の携帯用バッテリーは、通常2つまたは3つのセルで構成されていた。[ 29 ]
自動車エンジンの始動用に設計された鉛蓄電池は、深放電を想定して設計されていません。表面積を最大化し、ひいては最大電流出力を得るために、多数の薄いプレートが使用されていますが、深放電によって容易に損傷を受ける可能性があります。深放電を繰り返すと、プレートが機械的ストレスによって崩壊したり、深放電サイクル中に低電圧状態にあるときに急速なサルフェーションが発生したりすることで、容量が低下し、最終的には早期故障につながります。
始動用バッテリーを常時フロート充電しておくと、グリッド腐食が発生し、故障モードにつながる可能性があります。そのため、始動用バッテリーは開放回路のままにしておき、サルフェーションを防ぐために定期的に（例えば月に一度）充電することができます。[ 30 ]
始動用バッテリーは、同じサイズのディープサイクルバッテリーよりも軽量です。これは、セルプレートが薄くて軽いため、バッテリーケースの底まで伸びていないからです。これにより、プレートから剥がれ落ちた破片がセルの底に溜まり、バッテリーの寿命が延びます。しかし、この破片が十分に溜まると、プレートの底に接触してセルが故障し、バッテリーの電圧と容量が低下する可能性があります。
特別に設計されたディープサイクルセルは、充放電サイクルによる劣化の影響をはるかに受けにくく、太陽光発電システム、電気自動車（フォークリフト、ゴルフカート、電気自動車など）、無停電電源装置など、バッテリーが定期的に放電される用途に必要とされます。これらのバッテリーは、ピーク電流をそれほど供給できないものの、頻繁な放電に耐えることができる厚いプレートを備えています。 [ 31 ]
始動用（高電流）バッテリーとディープサイクルバッテリーの中間的な性能を持つバッテリーも存在します。これらのバッテリーは、自動車用バッテリーよりも放電能力が高いものの、ディープサイクルバッテリーほどではありません。マリンバッテリー、キャンピングカー用バッテリー、レジャー用バッテリーなどと呼ばれることもあります。
鉛蓄電池の容量は一定ではなく、放電速度によって変化します。放電速度と容量の間の経験的な関係は、プーケルトの法則として知られています。
電池の充電または放電時には、電極と電解質の界面にある反応性化学物質のみが最初に影響を受けます。時間が経つにつれて、界面の化学物質に蓄積された電荷（界面電荷または表面電荷と呼ばれることが多い）は、これらの化学物質の拡散によって活性物質全体に広がります。
完全に放電したバッテリー（例えば、車のライトを一晩中つけっぱなしにした場合、約 6 アンペアの電流が流れる）を考えてみましょう。このバッテリーを数分間だけ急速充電すると、バッテリープレートはプレートと電解液の界面付近でのみ充電されます。この場合、バッテリー電圧は充電器の電圧に近い値まで上昇する可能性があります。これにより、充電電流が大幅に減少します。数時間後には、この界面電荷が電極と電解液の体積に広がります。その結果、界面電荷が非常に低くなり、車を始動するのに不十分になる可能性があります。[ 32 ] 充電電圧がガス発生電圧（通常の鉛蓄電池では約 14.4 ボルト）を下回っている限り、バッテリーの損傷は起こりにくく、時間が経つにつれてバッテリーは公称充電状態に戻るはずです。
鉛蓄電池は、硫酸鉛の結晶化であるサルフェーションのため、放電時間が長すぎると充電を受け入れる能力を失います。[ 33 ]鉛蓄電池は、二重硫酸塩化学反応によって電気を生成します。電池のプレート上の活物質である鉛と二酸化鉛は、電解液中の硫酸と反応して硫酸鉛を形成します。硫酸鉛は最初に微細な非晶質状態で形成され、電池が再充電されると容易に鉛、二酸化鉛、硫酸に戻ります。電池が多数の放電と充電を繰り返すと、一部の硫酸鉛は電解液に再結合せず、再充電しても溶解しない安定した結晶形に徐々に変化します。そのため、すべての鉛が電池プレートに戻されるわけではなく、発電に必要な使用可能な活物質の量は時間とともに減少します。
鉛蓄電池では、通常の動作中に充電が不十分な場合や、充電が不十分なまま長時間放置された場合にサルフェーションが発生します。[ 34 ]サルフェーションは再充電を妨げ、硫酸塩の堆積物は最終的に膨張してプレートにひび割れを生じさせ、電池を破壊します。最終的には、電池プレートの大部分が電流を供給できなくなり、電池容量が大幅に減少します。さらに、硫酸塩部分（硫酸鉛）は硫酸として電解液に戻りません。大きな結晶が電解液がプレートの細孔に入るのを物理的に妨げていると考えられています。透明なケースの電池や電池を分解した後には、プレートに白いコーティングが見えることがあります。サルフェーションを起こした電池は内部抵抗が高く、通常の放電電流のごく一部しか供給できません。サルフェーションは充電サイクルにも影響し、充電時間が長くなり、充電効率が低下して不完全な充電となり、電池の温度が上昇します。
SLIバッテリー（始動用、照明用、点火用バッテリー、例：自動車用バッテリー）は、車両が比較的長期間使用されないため、最も劣化しやすい。一方、ディープサイクルバッテリーや動力用バッテリーは、定期的に制御された過充電を受けるため、最終的にはサルフェーションではなく、正極板グリッドの腐食によって故障する。
放電サイクルの直後にバッテリーを完全に充電すれば、サルフェーションは回避できます。[ 35 ]サルフェーションを元に戻す独立した検証済みの方法は知られていません。[ 8 ] [ 36 ]パルス充電などのさまざまな技術で脱サルフェーションを実現すると主張する市販製品がありますが、それらの主張を検証する査読済みの出版物はありません。鉛蓄電池を定期的に完全に充電することで、サルフェーションを防ぐのが最善の策です。
一般的な鉛蓄電池には、さまざまな濃度の水と酸の混合物が含まれています。硫酸は水よりも密度が高いため、充電中にプレートで生成された酸は下方に流れ、電池の底に集まります。最終的には、混合物は拡散によって再び均一な組成になりますが、これは非常に遅いプロセスです。部分的な充電と放電のサイクルを繰り返すと、電解液の層状化が進み、上部に酸が不足するとプレートの活性化が制限されるため、電池の容量と性能が低下します。層状化はまた、プレートの上半分での腐食と底部での硫酸化を促進します。[ 37 ]
周期的な過充電は、電極板上で気体状の反応生成物を生成し、対流を引き起こして電解液を混合し、層状化を解消します。電解液を機械的に攪拌することでも同様の効果が得られます。走行中の車両に搭載されたバッテリーは、車両の加速、減速、旋回時に、セル内で液が揺れたり飛び散ったりすることもあります。
過充電は電気分解を引き起こし、ガス発生と呼ばれるプロセスで水素と酸素を放出します。湿式電池には発生したガスを放出するための通気口があり、VRLA電池は各セルに取り付けられたバルブに依存しています。液式電池には、水素と酸素を再結合するための触媒キャップが用意されています。VRLAセルは通常、セル内で発生した水素と酸素を再結合しますが、故障や過熱によりガスが蓄積することがあります。このようなことが起こると（たとえば、過充電時）、バルブがガスを放出して圧力を正常化し、特徴的な酸臭が発生します。ただし、バルブは、汚れやゴミが蓄積して圧力が上昇するなどして故障する可能性があります。
蓄積された水素と酸素が内部で引火し、爆発を起こすことがあります。爆発の衝撃でバッテリーケースが破裂したり、上部が吹き飛んで酸やケースの破片が飛び散ったりすることがあります。1つのセルで爆発が起こると、残りのセル内の可燃性ガス混合物に引火する可能性があります。同様に、換気の悪い場所では、バッテリー端子に閉回路（負荷や充電器など）を接続または切断すると、セルからガスが放出されている場合、火花が発生して爆発することもあります。
バッテリー内部の個々のセルが短絡を起こし、爆発を引き起こす可能性もある。
VRLAバッテリーのセルは、内部圧力が上昇すると膨張し、使用者や整備士に警告を発します。変形の程度はセルごとに異なり、他のセルによって支えられていない端部で最も大きくなります。このような過圧状態のバッテリーは、慎重に隔離して廃棄する必要があります。爆発の危険性があるバッテリーの近くで作業する人は、飛散する酸や火による火傷から目や露出した皮膚を保護するために、フェイスシールド、作業服、手袋を着用する必要があります。フェイスシールドの代わりにゴーグルを使用すると、飛散する酸、ケースやバッテリーの破片、爆発による熱に顔がさらされる可能性があります。
環境防衛とミシガン州アナーバーのエコロジーセンターによる2003年の報告書「鉛の排除」によると、道路を走る車のバッテリーには推定260万メトリックトン（260万ロングトン、290万ショートトン）の鉛が含まれている。鉛化合物の中には極めて毒性の強いものもある。これらの化合物に微量でも長期間曝露すると、脳や腎臓の損傷、聴覚障害、子供の学習障害を引き起こす可能性がある。[ 38 ] 自動車業界は毎年100万メトリックトン（98万ロングトン、110万ショートトン）以上の鉛を使用しており、その90%は従来の鉛蓄電池に使われている。鉛のリサイクルは確立された産業ですが、毎年4万トン（3万9000ロングトン、4万4000ショートトン）以上が埋立地に廃棄されています。連邦政府の有害物質排出目録によると、さらに7万トン（6万9000ロングトン、7万7000ショートトン）が鉛の採掘および製造工程で排出されています。[ 39 ]
不適切な廃棄や鉛精錬作業による環境への影響などへの懸念から、代替品（特に自動車用途向け）の開発が進められている。バッテリーは重量はあるものの初期費用が安価であるため、エンジン始動やバックアップ電源システムなどの用途では、代替品がバッテリーに取って代わる可能性は低い。
業界団体である国際電池協議会によると、鉛蓄電池のリサイクルは世界で最も成功しているリサイクルプログラムの1つです。米国では、2017年から2021年の間にすべての電池鉛の99%がリサイクルされました。[ 40 ] 米国環境保護庁のデータによると、リサイクル率は1970年の76%から現在では99%に上昇しています。[ 41 ]
鉛は人体に非常に有害であり、リサイクルすると汚染や人々の汚染を引き起こし、数多くの長期的な健康問題につながる可能性があります。[ 42 ] [ 43 ]あるランキングでは、鉛蓄電池のリサイクルは、障害調整生命年損失の観点から世界で最も致命的な産業プロセスであると特定されており、世界中で推定2,000,000年から4,800,000人の個人の生命が失われています。[ 44 ]
鉛蓄電池のリサイクル施設自体が鉛汚染源となっており、1992年までにEPAはスーパーファンドによる浄化対象として29か所を選定し、そのうち22か所を国家優先リストに掲載した。[ 45 ]
鉛の排出を防止するためには、効果的な汚染防止システムが不可欠です。鉛精錬所の排出基準に対応するためには、バッテリーリサイクル工場や炉の設計を継続的に改善していく必要があります。LeadBattery360のような自主的な認証プログラムは、こうした改善を促進することを目的としています。
鉛蓄電池が市販されるようになって以来、化学添加剤は、通気式鉛蓄電池の電解液に添加することで、プレート上の硫酸鉛の蓄積を減らし、電池の状態を改善するために使用されてきました。しかし、このような処理は、効果があることはほとんど、あるいは全くありません。[ 46 ]
このような目的で使用される化合物として、硫酸マグネシウム（エプソム塩）とEDTAが挙げられます。硫酸マグネシウムは、劣化または損傷したバッテリーの内部抵抗を低減し、寿命をわずかに延ばす効果があります。EDTAは、過放電したプレートに付着した硫酸塩を溶解するために使用できます。しかし、溶解した物質は通常の充放電サイクルに関与できなくなるため、EDTAで一時的に回復させたバッテリーは寿命が短くなります。鉛蓄電池に残留したEDTAは有機酸を生成し、鉛プレートや内部コネクタの腐食を促進します。
活物質は充放電中に物理的な形態変化を起こし、その結果、電極の成長や歪みが生じ、電極が電解液中に脱落します。活物質が電極板から脱落すると、いかなる化学処理によっても元の位置に戻すことはできません。同様に、電極板のひび割れ、コネクタの腐食、セパレータの損傷といった内部的な物理的問題も、化学的な方法では修復できません。
鉛蓄電池の外部金属部品の腐食は、電池の端子、プラグ、コネクタにおける化学反応によって引き起こされる。
正極端子の腐食は、バッテリー端子とケーブルコネクタの製造に使用される金属合金の不一致による電気分解によって引き起こされます。白い腐食は通常、硫酸鉛または硫酸亜鉛の結晶です。アルミニウムコネクタは硫酸アルミニウムに腐食します。銅コネクタは青と白の腐食結晶を生成します。バッテリー端子の腐食は、端子にワセリンまたは市販の専用製品を塗布することで軽減できます。[ 47 ]
バッテリーに水や電解液が過剰に注入されると、熱膨張によって一部の液体がバッテリーの通気口からバッテリー上部に漏れ出すことがあります。この液体がバッテリーコネクタ内の鉛やその他の金属と反応し、腐食を引き起こす可能性があります。
電解液は、バッテリー端子がプラスチックケースを貫通する部分のプラスチックと鉛の接合部から漏れ出す可能性がある。
過充電やバッテリーボックスの換気不足などが原因で、通気口のキャップから蒸発する酸性ガスは、蓄積して露出した金属と反応する可能性がある。
これらのデータは、非常に低い血中鉛濃度（PbB）でも、子供に微妙な神経行動学的影響が生じる可能性があることを示唆している。
